崔屹NatureNanotechnology：金属锂负极替代者——锂合金石墨烯负极！

崔屹NatureNanotechnology：⾦属锂负极替代者——锂合⾦⽯墨烯负极！【引⾔】
近年来，新能源汽车市场的异军突起迫切要求⼈们研发出兼具⾼能量密度和长使⽤寿命的动⼒
电池，这主要是因为：传统锂离⼦电池（以⽯墨作负极，理论容量370 mAh/g）已不能满⾜上述
能源需求。

针对该棘⼿难题，具有较⾼能量密度的⾦属合⾦电极（如Si、Sn、Al合⾦电极）被
⼴泛研究，但上述⾼容量合⾦电极作负极、锂盐（磷酸铁锂等，容量<200 mah/g）为正极材料
时，较低的电池容量⼤⼤削弱了其应⽤前景。

此外，拥有较⾼⽐容量的锂⾦属（3860=""
mah/g）作为电池负极时，使⽤过程的锂枝晶问题、体积膨胀、⾼反应活性（极易于⽔⽓、空
⽓、电解液反应）成为了锂⾦属负极的诟病。

基于此，整合上述合⾦电极与锂⾦属以制备锂合
⾦电极（lixm，其中m="">200>
【成果简介】
近⽇，斯坦福⼤学崔屹教授（通讯作者）团队在Nature Nanotechnology上发表了题⽬为“Air-
stable and freestanding lithium alloy/graphene foil as an alternative to lithium metal anodes”的
研究成果。

研究⼈员⾸先将制备的锂合⾦（LixM）纳⽶颗粒包覆于具有优异疏⽔性能、低⽓体
渗透性能的⽯墨烯（<10层）材料之中，随后将锂合⾦>10层）材料之中，随后将锂合⾦>4、
V2O5、S为正极材料的锂电池中，并以锂⾦属负极、⽯墨烯负极做为参照实验，⾼电流密度充
放电使⽤情况下，测试了电池的电化学性能，并对负极材料进⾏了SEM、TEM、XPS、柔韧性
和强度、疏⽔性表征。

结果表明：锂合⾦/⽯墨烯作为负极的电池，⾼电流密度下充放电循环
400次后，电池依然能够保持初始容量的98%，这主要是因为：（1）LixM合⾦材料能够有效应
对嵌锂-脱锂过程所带来的体积膨胀变化；（2）包覆的⽯墨烯材料具有较好的疏⽔性能、较低的
⽓体渗透性能，提⾼了负极的稳定性（防⽌与空⽓、⽔、电解液的反应）；（3）对锂硫电池⽽
⾔，包覆的⽯墨烯材料抑制了多硫化合物与负极的反应，降低了正极硫活性物质的损耗，得以
保持电池的容量。

【图⽂导读】
图1. LixM /⽯墨烯材料微观结构及制备⼯艺
a）左图：LixM/⽯墨烯材料结构（注：M= Si、Sn或Al，图中紧凑的LixM纳⽶颗粒包覆于⽯墨烯
⽚层中，该材料具有良好的化学稳定性（优良的疏⽔性、较低的⽓体渗透性）；右图：材料的
柔韧性及可批量⽣产性；
b）LixM/⽯墨烯材料制备⼯艺：⼿套箱中溶解锂⾦属，加⼊适当化学计量⽐的M⾦属颗粒搅拌获
得LixM颗粒，之后加⼊粘结剂苯⼄烯-丁⼆烯-苯⼄烯嵌段共聚物（SBS）和⽯墨烯形成浆料，并
涂覆于基板聚对苯⼆甲酸⼄⼆醇酯（PET）上，剥落后获得柔韧性良好、空⽓中稳定的LixM/⽯
墨烯电极材料。

图2. LixSi/⽯墨烯材料性能表征
a）批量制备的LixSi/⽯墨烯材料照⽚（图中⽐例尺5 cm）；
b）低倍镜下LixSi/⽯墨烯材料TEM图（图中⽐例尺 1um）；
c）⾼倍镜下LixSi/⽯墨烯材料中⽯墨烯边缘层图⽚（图中⽐例尺 5nm）；
d）⽯墨烯、松厚纸、锂箔和LixSi/⽯墨烯四种材料的单轴拉伸测试曲线（旨在获得材料的机械
强度和柔韧性）；
e）LixSi/⽯墨烯材料的XRD图谱；
f）和g) LixSi/⽯墨烯材料的SEM俯视图和横截⾯图（图中⽐例尺分别为2、20um）。

图3. LixSi/⽯墨烯材料的稳定性
a)⽯墨烯（包覆材料）、SBS（粘结剂）的疏⽔性测试；
b)上图：LixSi/⽯墨烯材料化学稳定性图⽰（不易于空⽓中的H2O、CO2、O2反应）；下图：包覆在⽯墨烯⽚层中间的LixSi颗粒SEM图（图中⽐例尺1 um）；
c) 锂箔负极⽚、LixSi/⽯墨烯负极⽚在空⽓中的化学稳定性实验对⽐照⽚；
d) LixSi/⽯墨烯负极⽚耐温性能的考察（图中⿊⾊、红⾊曲线分别为室温下、烘⼲（800C和
6h）后电池材料的电压-容量曲线）；
e) LixSi/⽯墨烯负极⽚耐⼲燥室⽓氛（⼲燥室的露点温度为-50 0C）性能的考察（图中⿊⾊、红⾊曲线分别为电极材料未暴露、暴露于⼲燥室⽓氛2周后电池材料的电压-容量曲线）；
f) LixSi/⽯墨烯负极⽚耐空⽓中H2O性能的考察（图中⿊⾊、红⾊曲线分别为未暴露于空⽓、暴露于空⽓中（相对湿度20～60%，时间3天）后电池材料的电压-容量曲线）；
图4. 电池的电化学性能测试和LixSi/⽯墨烯材料嵌锂-脱锂图⽰
a）厚度分别为19um、42um 的LixSi/⽯墨烯负极半电池第⼀次放电（脱锂过程）过程中的材料电压-容量曲线；
b）⽯墨烯负极半电池、LixSi/⽯墨烯负极半电池在不同电流密度下循环400次后的电学性能；c）LixSi/⽯墨烯材料嵌锂-脱锂图⽰（右侧SEM图中⽐例尺2um）；和e)LixSi/⽯墨烯- LiFePO4电池（全电池）与Li - LiFePO4电池（半）的充放电性能曲线对⽐；
图5. LixSi/⽯墨烯-硫电池与锂-硫电池的电化学性能对⽐
a）电池正极碳材料包覆活性物质硫的SEM图（图中⽐例尺为5um）；
b）电池正极碳材料包覆活性物质硫的TEM图，插图为放⼤的碳材料边缘晶格（两图中的⽐例尺分别为200nm和10nm）；
c）LixSi/⽯墨烯- 硫电池与锂-硫电池的电学性能对⽐；
d）两种体系电池充放电50次后， LixSi/⽯墨烯负极⽚与锂负极⽚的XPS表征（上边两图为锂负极材料结果、下边两图为LixSi/⽯墨烯结果）；
【⼩结】
通过将LixM（M= Si、Sn或Al）包覆于⽯墨烯⽚层中，获得了LixM/⽯墨烯电极。

较之于前⼈研究的⾦属合⾦-锂盐、⾦属合⾦-五氧化⼆钒电池，该电池体系提⾼了电池的能量密度，循环性能优异（循环400次后，电池容量依然是初始容量的98%），延长了电池的使⽤寿命；较之于锂-硫电池体系，该电池体系能够有效抑制多硫化合物与负极的反应，降低了多硫化合物的穿梭效应，提⾼了电池的容量。

尚需进⼀步提⾼该材料在空⽓中的稳定性，接下来可在LixM/⽯墨烯材料上沉积氧原⼦或氟原⼦层，提⾼材料的稳定性和操作简单性，以便⾼效地、经济地、环境友好地使⽤动⼒电池。